Nghiên cứu các phương pháp thiết kế các anten có kích thước nhỏ và hiệu năng cao dựa trên cấu trúc siêu vật liệu (tt)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Tăng Thế Toan NGHIÊN CỨU CÁC PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ CÁC ANTEN CĨ KÍCH THƢỚC NHỎ VÀ HIỆU NĂNG CAO DỰA TRÊN CẤU TRÚC SIÊU VẬT LIỆU Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 62 52 02 08 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THƠNG Hà Nội - 2017 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Cơng Nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trƣơng Vũ Bằng Giang Luận án bảo vệ trước Hội đồng sở đánh giá luận án tiến sĩ Trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội vào hồi …… giờ…… phút, ngày…… tháng……năm 2017 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thông tin- Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội Mở đầu I Đặt vấn đề Ngày nay, anten sử dụng hệ thống truyền thông vô tuyến hệ đứng trước yêu cầu cần phải thiết kế để có hiệu cao kích thước nhỏ gọn Anten mảng vi dải với ưu điểm dễ chế tạo, nhỏ gọn, dễ dàng tích hợp bề mặt có hiệu chấp nhận theo yêu cầu hệ thống Tuy vậy, việc nghiên cứu phát triển anten mảng vi dải tồn nhiều thách thức mức búp phụ (SLL) mảng lớn, băng thơng, độ lợi kích thước anten mảng vi dải cần tiếp tục nghiên cứu phát triển để cải thiện ưu điểm hệ anten Nghiên cứu lí thuyết thực nghiệm cho thấy, SLL mảng phụ thuộc chủ yếu vào trọng số mạng tiếp điện Do đó, giải pháp nhằm hạ thấp SLL mảng thường tập trung vào việc sử dụng trọng số để tính tốn, thiết kế mạng tiếp điện Bên cạnh đó, vấn đề tối ưu hóa vị trí phần tử anten, xạ giả mạng tiếp điện ảnh hưởng tương hỗ phần tử xạ nguyên nhân dẫn đến SLL anten mảng vi dải cao, làm giảm hiệu suất làm việc anten mảng hệ thống Do vậy, việc nghiên cứu phát triển giải pháp anten mảng vi dải có độ lợi cao, SLL thấp, kích thước nhỏ gọn, khối lượng thấp vấn đề mang tính thời động lực thúc đẩy luận án hướng tới giải II Mục đích, đối tƣợng phạm vi nghiên cứu II.1 Mục đích - Nghiên cứu đề xuất giải pháp, qui trình tính tốn, thiết kế mơ hình anten lưỡng cực mạch in hai mặt (DSPD) có băng thơng rộng, độ lợi cao, có khả điều chỉnh tần số mở rộng băng thông cách dễ dàng Các anten DSPD thiết kế phải có kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo khả dụng thiết kế anten mảng vi dải có độ lợi cao, kích thước nhỏ gọn - Nghiên cứu đề xuất hai giải pháp thiết kế anten mảng vi dải sử dụng phần tử anten DSPD mạng tiếp điện phân bố Chebyshev nối tiếp song song Các anten mảng đề xuất có SLL thấp -25 dB, kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo có khả ứng dụng hệ thống truyền thông vô tuyến hệ II.2 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Các cấu trúc anten DSPD mới, có độ lợi cao, băng thơng rộng, cấu hình nhỏ gọn, dễ chế tạo - Các anten mảng vi dải tuyến tính thiết kế dựa phần tử anten DSPD hệ thống tiếp điện tiếp điện song song nối tiếp Trong đó, mạng tiếp điện thiết kế để tín hiệu cổng đồng pha biên độ theo phân bố Chebysev III Ý nghĩa khoa học thực tiễn nghiên cứu - Các kết luận án góp phần phát triển qui trình tổng thể thiết kế anten DSPD có độ lợi cao băng thơng rộng - Các kết nghiên cứu tảng cho nghiên cứu phân tích thiết kế anten mảng vi dải có SLL thấp, độ lợi cao, cấu hình nhỏ gọn Trong đó, mạng tiếp điện thiết kế dựa phân bố Chebyshev - Các mẫu anten DSPD anten mảng vi dải luận án thiết kế băng tần C, hồn tồn ứng dụng cho điểm truy cập WLAN 802.11ac, trạm di dộng trời hay ứng dụng dịch vụ thiên văn vô tuyến (RAS) băng tần (4,8 ˗ 4,99GHz), dịch vụ truyền thông vô tuyến tổng hợp GWCS (4,94 ˗ 4,99 GHz),… IV Cấu trúc luận án Nội dung luận án bao gồm ba chương Chương trình bày tổng quan anten mảng phương pháp trọng số thiết kế anten mảng tuyến tính Chương trình bày đề xuất giải pháp phát triển cấu trúc anten DSPD ứng dụng thiết kế anten mảng vi dải tuyến tính anten mảng phẳng có độ lợi cao, cấu hình nhỏ gọn, dễ chế tạo Chương trình bày giải pháp tính tốn, thiết kế anten mảng vi dải sử dụng phần tử anten DSPD mạng tiếp điện nối tiếp song song theo phân bố Chebyshev Các anten mảng vi dải đề xuất có độ lợi cao SLL thấp -25 dB, ứng dụng hệ thống truyền thông vô tuyến hệ băng tần C Chƣơng Tổng quan anten mảng vi dải Chương trình bày tổng quan anten mảng vi dải Kĩ thuật tiếp điện cho mảng vi dải trình bày chi tiết, làm sở cho giải pháp thiết kế anten mảng có độ lợi cao, SLL thấp chương luận án 1.1 Tổng quan anten mảng yếu tố ảnh hƣởng đến đặc tính anten mảng vi dải 1.1.1 Mơ hình anten mảng Anten mảng tạo nhóm anten phần tử xếp thích hợp khơng gian để tạo xạ với đặc tính mong muốn [6] Các đặc tính mong muốn đạt thay đổi trọng số mạng tiếp điện (biên độ pha) vị trí tương đối phần tử xạ 1.1.2 Anten mảng tuyến tính ( ) phụ Đối với anten mảng tuyến tính, hệ số mảng thuộc vào góc  1.1.3 Anten mảng phẳng Anten mảng phẳng tạo nên từ phần tử anten xếp mặt phẳng 1.1.4 Mạng tiếp điện anten mảng a Mạng tiếp điện song song Trong mạng tiếp điện song song, tỉ lệ phân chia công suất khác mạng tiếp điện hồn tồn thực nhờ chia công suất chuyển đổi phần tư bước sóng [19] b Mạng tiếp điện nối tiếp Mạng tiếp điện nối tiếp gồm phần tử xếp thẳng hàng tiếp điện qua đoạn đường truyền 1.2 Phƣơng pháp trọng số thiết kế anten mảng 1.2.1 Trọng số pha Trọng số pha điều chỉnh cách thay đổi pha kích thích  phần tử xạ nhằm thay đổi hướng búp sóng mảng 1.2.2 Trọng số nhị thức Trọng số nhị thức tạo hàm hệ số mảng mà SLL thấp chí khơng có búp phụ [6] Ta xác định trọng số nhị thức chuẩn hóa lệnh Matlab: diag(rot90(Pascal(N))) 1.2.3 Trọng số Dolph-Chebyshev Từ biểu thức (1.4) cho thấy, ta chọn trọng số wi để đạt mục đích định chẳng hạn tối giản búp phụ thay điểm khơng góc cần thiết Tuy vậy, trọng số vơ hướng đối xứng dùng để điều chỉnh SLL [6, 20, 52] Ta xác định trọng số Chebyshev chuẩn hóa lệnh Matlab: Chebwin(N,SLL) 1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính xạ anten mảng vi dải Anten mảng vi dải có nhược điểm SLL cao, làm giảm hiệu suất làm việc anten SLL anten mảng vi dải phụ thuộc vào yếu tố như: trọng số (biên độ, pha) [6, 31]; xạ từ hệ thống tiếp điện; ảnh hưởng tương hỗ phần tử xạ; phân cực chéo; nhiễu xạ yếu tố khác sai số thiết kế, chế tạo 1.4 Các phương pháp giảm mức búp phụ cho anten mảng tuyến tính Gọi  góc đại diện cho vị trí búp phụ anten mảng cần nén, SLL viết biểu thức sau: | ( )| (1.38) Từ biểu thức (1.38) cho thấy, để hạ thấp SLL mảng thực dựa hai hướng tối ưu hóa vị trí (khoảng cách d) phần tử anten điều chỉnh trọng số wi 1.5 Kết luận chƣơng Chương trình bày tổng quan mơ hình anten mảng, yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính xạ anten mảng vi dải lí thuyết trọng số thiết kế anten mảng Đồng thời, phương pháp giảm SLL anten mảng tuyến tính nói chung anten mảng vi dải nói riêng trình bày, làm sở cho giải pháp thiết kế mảng vi dải có SLL thấp, độ lợi cao chương Chương Giải pháp phát triển anten lưỡng cực mạch in hai mặt ứng dụng thiết kế anten mảng vi dải Trong chương này, giải pháp phát triển mô hình anten lưỡng cực mạch in hai mặt (DSPD) băng thông rộng, độ lợi cao ứng dụng thiết kế anten mảng vi dải phân tích trình bày chi tiết 2.1 Anten lƣỡng cực mạch in hai mặt 2.1.1 Cấu trúc hoạt động Cấu trúc Lưỡng cực anten DSPD minh họa hình 2.2 Cấu Tấm điện mơi trúc anten DSPD gồm Đường truyền song song lưỡng cực với Mặt phẳng đất cánh xạ in mặt đối diện Hình 2.2 Anten DSPD tiếp điện điện môi [19, 35] đường truyền song song 2.1.2 Băng thông trở kháng xạ Các đặc tính phần tử anten DSPD tính tốn dựa mơ hình dòng điện mặt [51] 2.1.3 Tiếp điện cho anten lƣỡng cực mạch in hai mặt Đường tiếp điện anten DSPD đường vi dải song song [19] 2.2 Giải pháp thiết kế anten lƣỡng cực mạch in hai mặt 2.2.1 Phƣơng pháp luận qui trình thiết kế anten lƣỡng cực mạch in hai mặt L Trong luận án này, mô a hình anten DSPD đề xuất W dựa cấu trúc mẫu anten DSPD [19, 35] minh L họa hình 2.7 Qui trình W tổng qt tính tốn, thiết kế DSPD thực theo Hình 2.7 Cấu trúc hình học DSPD anten hình trụ tương đương hình 2.8 P P TL T L Bước - Tính tốn, thiết kế chiều dài lưỡng cực (LP): Lựa chọn chiều dài LP lưỡng cực theo lí thuyết anten lưỡng cực [63] Bước - Tính tốn, thiết kế chiều rộng lưỡng cực (WP): Chiều rộng WP lưỡng cực tính tốn anten lưỡng cực [63] Để có băng thơng rộng cho anten DSPD, ta cần chọn giá trị Wp lớn, cụ thể sau: Bắt đầu (2.11a) Xác định tần số cộng hưởng Bước - Tính tốn, thiết điện: Chiều rộng Tính Tính tốn, tốn, tối tối ưu ưu chiều chiều dài dài DSPD DSPD đường truyền vi dải song song Tính Tính tốn, tốn, tối tối ưu ưu chiều chiều rộng rộng DSPD DSPD xác định theo đường Tính Tính tốn, tốn, thiết thiết kế tiếp điện điện truyền vi dải [26] Không Bước - Mô thiết đáp ứng yêu cầu Mô thiết kế kế: Thực q trình mơ Đáp ứng để kiểm chứng tính u cầu Kết thúc tốn lí thuyết tối ưu hóa Hình 2.8 Lưu đồ thiết kế anten DSPD thông số thiết kế 2.2.2 Áp dụng qui trình thiết kế anten lƣỡng cực mạch in hai mặt Áp dụng qui trình trên, anten DSPD hoạt động với tần số trung tâm 2,45 GHz, GHz 5,5 GHz tính tốn, thiết kế Mơ hình thiết kế chung anten DSPD trình bày hình vẽ 2.9 tổng hợp thơng số thiết kế bảng 2.2 LP Bảng 2.2: Thông số thiết kế số WP DSPD LTL Tần số (GHz) WTL 2,45 5,00 5,50 Hình 2.9 Mơ hình anten DSPD đề xuất Đƣờng cấp điện (mm) Cánh xạ (mm) WTL LTL WP LP 3,00 2,38 2,40 20,04 9,82 8,93 16,7 8,18 7,44 30,06 14,73 13,39 Kết mô hệ số suy hao phản hồi đồ thị xạ mẫu anten DSPD đề xuất thể hình 2.10 bảng 2.3 Bảng 2.3: Thông số băng thông, độ lợi mẫu DSPD Băng thông (%) 36,7 35,6 36,7 Tần số (GHz) 2,45 5,00 5,50 Độ lợi (dBi) 4,07 5,50 6,08 (a) Hệ số S11 anten DSPD 2,45 GHz (b) Đồ thị xạ anten DSPD 2,45 GHz Hình 2.10 Mơ mẫu anten DSPD Hình 2.10 bảng 2.3 cho thấy, băng thông trở kháng anten DSPD đạt từ 35,6 – 36,7% (S11 ≤ -10 dB) độ lợi đạt từ 4,07 – 6,08 dBi tần số trung tâm 2,45 GHz, 5,0 GHz 5,5 GHz 2.2.3 Giải pháp điều chỉnh tần số làm việc anten lưỡng cực mạch in hai mặt Hình 2.11 minh họa cấu trúc anten DSPD với chiều dài đường vi dải mở rộng a sơ đồ mạch điện tương đương Cánh xạ Rs a CL XL RL Đường truyền song song (a) Mơ hình anten DSPD (b) Mạch điện tương đương Hình 2.11 Cấu trúc mẫu anten DSPD đề xuất Kết cho thấy, cấu trúc anten DSPD đề xuất dễ dàng điều chỉnh tần số cộng hưởng Các công thức nội suy cho phép dễ dạng tính tốn băng thơng, tần số cộng hưởng anten DSPD băng tần C Hình 2.12 Sự phụ thuộc tần số cộng hưởng băng thơng với kích thước a 2.2.4 Giải pháp tối ưu hóa băng thơng anten lưỡng cực mạch in hai mặt c Trong luận án này, giải pháp sử dụng kĩ thuật cắt vát cạnh mặt xạ đề xuất nhằm cải thiện băng thông anten DSDP cách xác thuận tiện Hình 2.13 trình bày Hình 2.13 Mơ hình DSDP cắt vát cạnh xạ mơ hình DSDP cắt vát cạnh mặt xạ Hình 2.14 Sự phụ thuộc băng thơng Hình 2.15 Mơ hệ số suy hao phản hồi anten DSPD tần số vào kích thước cắt cạnh với c ≥0,1g mặt xạ với c  0,09g mảng nhỏ (2×2 phần tử) λ0 (L1, L2) để đảm bảo tất mảng nhỏ tiếp điện đồng pha c Đặc tính mảng phẳng đề xuất Mẫu anten mảng phẳng đề xuất mô chế tạo, đo kiểm Đặc tính anten thể qua thơng số đặc tính Bảng 2.13: Tổng hợp kết đo đạc mô Thông số Tần số cộng hưởng Băng thông Độ lợi SLL (S11 ≤ -10 dB) Mô 5,5 GHz 1400 MHz 18,2 dBi -14,4 dB (a) Mơ hình mơ Đo đạc 5,5 GHz 1300 MHz 18,64 dBi -16,32 dB (b) Nguyên mẫu chế tạo Hình 2.25 Anten mảng phẳng đề xuất Kết cho thấy phù hợp tính tốn, mơ đo đạc thực nghiệm Dải tần hoạt động anten đề xuất nằm khoảng từ 4,5 GHz đến 5,9 GHz (S11 ≤ -10 dB), anten mảng có độ lợi đạt 18,64 dBi tần số 5,5 GHz Mẫu anten hồn tồn ứng dụng cho hệ thống Hình 2.26 So sánh kết mô đo đạc S11 truyền thông vô tuyến băng tần C 11 (a) Mặt phẳng E (b) Mặt phẳng H Hình 2.27 Đồ thị xạ anten đề xuất 2.4 Kết luận chƣơng Chương trình bày qui trình tổng quát thiết kế anten DSPD có băng thơng rộng, độ lợi cao, có khả điều chỉnh tần số cộng hưởng cải tiến để mở rộng băng thông cách dễ dàng Các anten DSPD áp dụng dụng để thiết kế hai anten mảng vi dải có độ lợi cao cho ứng dụng hệ thống truyền thông băng tần C Ngồi ra, anten DSPD sử dụng để thiết kế anten mảng vi dải có SLL thấp trình bày chi tiết chương Các kết nghiên cứu Chương công bố cơng trình [1-4] 12 Chƣơng Các giải pháp phát triển anten mảng vi dải có độ lợi cao mức búp phụ thấp sử dụng trọng số Chebyshev Chương trình bày qui trình tổng quát thiết kế anten mảng vi dải sử dụng phân bố Chebyshev phần tử anten DSPD Trên sở đó, đề xuất hai giải pháp phát triển anten mảng vi dải có SLL thấp sử dụng mạng tiếp điện Chebyshev song song nối tiếp 3.1 Qui trình tổng quát thiết kế anten mảng Qui trình tổng quát thiết kế mảng anten vi dải thực theo bước Trong đó, việc thiết kế mạng tiếp điện trọng trình bày với hai loại mạng tiếp điện phổ biến song song nối tiếp 3.2 Anten mảng vi dải tiếp điện song song Chebyshev có mức búp phụ thấp Trong phần này, qui trình tổng quát thiết kế anten mảng trình bày mục 3.1 áp dụng để thiết kế anten mảng vi dải tiếp điện song song với yêu cầu anten hoạt động tần số 4,95 GHz có SLL thấp -25 dB 3.2.1 Tính tốn số lƣợng phần tử đơn Với yêu cầu HPBW hai mặt phẳng E H 200 ×900, từ (3.1) thấy độ định hướng D đạt 13,6 dB Sử dụng biểu thức (1.8) suy số phần tử anten cần sử dụng phần tử 3.2.2 Thiết kế phần tử anten đơn Áp dụng qui trình tính tốn, thiết kế anten DSPD trình bày mục 2.2.1 yêu cầu thiết kế anten mảng vi dải tiếp điện song song bảng 3.1 3.2.3 Thiết kế mạng tiếp điện song song Để anten mảng vi dải đề xuất đạt SLL thấp, trọng số Chebyshev cho phần tử lựa chọn với SLL -30 dB Các trọng số biên độ Chebyshev (u1-u4) tương ứng với hệ số biên độ đầu mạng tiếp điện (Z5-Z8) 13 Bảng 3.2: Thông số thiết kế anten DSPD (đơn vị: mm) Thông số W1 W2 W3 c Giá trị 10,5 7,375 1,25 2,5 Thông số L1 L2 L3 L4 Giá trị 9,5 7,5 6,2 Hình 3.3 Phần tử anten DSPD T3 T4 T2 T1 Hình 3.5 Mạng tiếp điện song song 8×1 3.2.4 Kết mơ thực nghiệm Kết mô hệ số suy hao phản hồi S11 hình 3.10 cho thấy, băng thơng đạt 185 MHz Hình 3.10 Kết mơ S11 mảng đề xuất Hình 3.9 Anten mảng vi dải đề xuất 14 Hình 3.11 Kết mô đồ thị xạ mảng đề xuất Hình 3.13 Độ lợi SLL mảng dải tần hoạt động Hình 3.15 cho thấy, tần số cộng hưởng anten 4,95 GHz băng thông (tại S11 ≤ -10 dB) 230 MHz, cao so với kết mơ (185 MHz) Hình 3.14 Nguyên mẫu anten mảng chế tạo Hình 3.15 Kết đo đạc mô hệ số suy hao phản hồi (a) Mặt phẳng E (b) Mặt phẳng H Hình 3.16 So sánh kết mô đo đạc đồ thị xạ mảng 15 Bảng 3.7: So sánh mẫu anten đề xuất với tài liệu tham khảo Tần số (GHz) Điện môi  Độ lợi (dBi) SLL (dB) 4,6×1,05×0,29 (8×1 phần tử) 3,5 2,65 14,8 -25 [42] 12,17×2,09×0,25 (8×1 phần tử) 12,0 2,1 14,0 -20 [45] (8×1 phần tử) 9,7 3,55 15,0 -20 [Đề xuất] 3,22×2,72×0,17 (8×1 phần tử) 4,95 2,33 12,9 -25,2 Mẫu Kích thƣớc (0) [36] Kết đo đạc độ lợi anten mảng đề xuất đạt 12,98 dBi tần số 4,95 GHz Các kết mô đo đạc mẫu anten đề xuất cho thấy đặc tính anten phù hợp với yêu cầu thiết kế đặt Các kết công bố cơng trình [5-6] 3.3 Anten mảng vi dải tiếp điện nối tiếp Chebyshev có độ lợi cao mức búp phụ thấp Trong phần này, qui trình tổng quát thiết kế anten mảng trình bày mục 3.1 áp dụng để thiết kế anten mảng vi dải tiếp điện nối tiếp với yêu cầu anten hoạt động tần số 5,5 GHz có SLL thấp -25 dB 3.3.1 Tính tốn số lƣợng phần tử Thực tương tự phần 3.2.1, trường hợp số lượng phần tử mảng xác định gồm 10 phần tử để hướng tới thiết kế mảng búp sóng dải quạt với góc nửa công suất hai mặt phẳng E H khoảng 100 ×700, độ định hướng khoảng 18 dB 3.3.2 Thiết kế phần tử anten đơn Trong mẫu đề xuất này, DSPD thiết kế để làm việc tần số trung tâm 5,5 GHz 16 Bảng 3.7: Thông số thiết kế phần tử anten DSPD Thông số Giá trị (mm) Thông số Giá trị (mm) We1 We2 We3 0,8 9,1 10,0 Le1 Le2 a 8,5 6,0 2,5 Hình 3.18 Phần tử đơn DSPD đề xuất 3.3.4 Thiết kế mạng tiếp điện a Nguyên lí thiết kế mạng tiếp điện nối tiếp dùng dây chêm hở mạch Phân bố biên độ mạng tiếp điện nối tiếp thực nhờ dây chêm hở mạch thêm vào đường truyền trung tâm b Mạng tiếp điện phân bố P1(u1) ZTL … P2(u2) P5(u5) Chebyshev (N=10, SLL=-30dB) Trong mẫu anten đề xuất này, lựa chọn ZTL = 178 Ω (với băng thơng lớn nhất) Trong mơ hình thiết kế này, Cổng vào ZS1 ZS2 ZS3 ZS4 (a) Mô mạng tiếp điện nối tiếp P1 P2 Pi P …… mạng tiếp điện nối tiếp 10×1 với SM1 SLL thiết đặt -30 dB với trọng số mảng bảng SM2 ZTL 4.3, Zs1, Zs2, Zs4 xác ZTL Zs1 Zs2 định theo tỉ lệ Zs1:ZTL = u2:u1 = 0,88; Zs3:ZTL = u3:u1 = 0,67; Zs4:ZTL = u4:u1 = 0,43; Z5:ZTL = u5:u1= 0,26 (b) Mạch điện tương đương Hình 3.21 Mơ hình mạng tiếp điện nối tiếp mạch điện tương đương 17 Trên sở đó, cấu trúc mạng tiếp điện đề xuất tính tốn, thiết kế trình bày hình 3.23 bảng 3.11 Kết mô mạng tiếp điện thể qua phân bố dòng điện tham số S hình 3.24 – 3.25 Hình 3.22 Ảnh hưởng ZTL đến hệ số S11 mảng đề xuất Hình 3.23 Một nhánh mạng tiếp điện nối tiếp 10×1 Hình 3.24 Phân bố dòng điện hệ thống tiếp điện (a) Biên độ suy hao phản hồi cổng (b) Pha cổng Hình 3.25 Kết mơ biên độ pha mạng tiếp điện nối tiếp 10×1 18 3.3.5 Kết mô thực nghiệm Cấu trúc anten mảng đề xuất với mạng tiếp điện phân bố Chebyshev với kích thước tổng thể mảng 422×100×10,15 mm3 (a) Mặt trước c) Cấu trúc anten 3D (b) Mặt sau Hình 3.30 trình bày kết mơ suy hao phản hồi mảng đề xuất, cho thấy tần số cộng hưởng anten 5,5 GHz, băng thơng đạt 212,4 Mhz S11 ≤10 dB Hình 3.30 Mơ hệ số suy Hình 3.31 Mơ đồ thị hao phản hồi S11 mảng xạ mảng tần số 5,5 GHz Kết mô cho thấy, độ lợi anten mảng đạt 17,5 dBi SLL thấp, đạt -26 dB tần số làm việc 5,5 GHz, độ lợi SLL trung bình tồn băng đạt tương ứng 17,3 dBi -21 dB So với đồ thị xạ lí thuyết mơ với mạng tiếp điện nối tiếp SLL mảng cao 1,79 dB 19 Hình 3.37 Nguyên mẫu chế tạo anten mảng đề xuất Hình 3.38 so sánh suy hao phản hồi S11, thấy tần số hoạt động anten 5,5 GHz với băng thông (tại S11 ≤ -10 dB) 212 MHz, phù hợp mô đo đạc Hình 3.38 So sánh kết mơ đo đạc hệ số suy hao phản hồi Đồ thị xạ đồng phân cực phân cực chéo mặt phẳng E mặt phẳng H anten đề xuất trình bày hình 3.39 Kết cho thấy SLL thấp, đạt -25,62 dB chéo hóa phân cực nén mức -20 dB tần số 5,5 GHz (a) Mặt phẳng H (a) Mặt phẳng E Hình 3.39 So sánh kết mơ đo đạc đồ thị xạ anten mảng Kết đo đạc độ lợi anten mảng trình bày bảng 3.13 cho thấy, độ lợi anten mảng đạt 17,1 dBi tần số 5,5 GHz, phù hợp với kết đo mô 17,5 dBi 20 So sánh với kết cơng trình cơng bố Bảng 3.14: So sánh tham số anten mảng Mẫu Số Tần số HPBW Độ lợi SLL phần (GHz) (0) (dBi) (dB) tử anten mảng [76] Mặc dù [37] 8×1 7,54 15,7 -23,1 mẫu anten mảng đề xuất có [59] 10×1 60,0 15,7 -27,7 [76] 10×1 9,0 8,3 14,5 -25,3 [Đề xuất] 10×1 5,5 10,2 17,5 -26,0 trước cho thấy, anten mảng đề xuất có độ lợi cao SLL thấp so với mẫu SLL cao so với mẫu [59], vậy, mẫu anten mảng đề xuất lại có độ lợi cao 3.4 Kết luận chƣơng Chương trình bày hai đề xuất phát triển anten mảng vi dải sử dụng phân bố Chebyshev tương ứng với hai loại mạng tiếp điện song song nối tiếp Cả hai anten mảng đề xuất sử dụng anten DSPD làm phần tử đơn hoạt động băng tần C Từng bước trình thiết kế phân tích, chứng minh trình bày phương pháp luận qui trình thiết kế Bên cạnh đó, mẫu anten mảng vi dải đề xuất chế tạo đo kiểm Anten mảng vi dải tiếp điện song song đề xuất có cấu trúc nhỏ gọn (165×195×10 mm3), độ lợi đạt 12,9 dBi SLL thấp -25 dB tần số 4,95 GHz Anten mảng Chebyshev tiếp điện nối tiếp đề xuất có kích thước nhỏ gọn (55×385×1,575 mm3) Anten mảng có độ lợi đạt 17,5 dBi (độ lợi trung bình băng tần 212 MHz đạt 17,1 dB) SLL thấp -26 dB tần số 5,5 GHz Các mơ hình anten mảng đề xuất hồn tồn áp dụng vào thực tiễn cho hệ thống WLAN chuẩn 802.11ac trời ứng dụng băng tần C Các kết chương cơng bố cơng trình [5-8] 21 KẾT LUẬN Trong luận án này, sở khoa học giải pháp phát triển anten mảng vi dải trình bày Trước tiên, mơ hình anten mảng, phương pháp trọng số thiết kế anten mảng nguyên nhân ảnh hưởng đến SLL anten mảng vi dải tổng quan Trên sở đó, phương pháp giảm SLL anten mảng, đặc biệt phương pháp sử dụng trọng số, mạng tiếp điện phổ biến sử dụng thiết kế anten mảng vi dải phân tích trình bày chi tiết Đây sở khoa học để đề xuất giải pháp thiết kế mơ hình anten mảng độ lợi cao, SLL thấp, kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo phù hợp với ứng dụng truyền thông vô tuyến hệ Qui trình tổng qt thiết kế anten DSPD có băng thơng rộng, độ lợi cao, có khả điều chỉnh tần số cộng hưởng cải tiến để mở rộng băng thông cách dễ dàng đề xuất Các anten DSPD áp dụng để thiết kế anten mảng vi dải búp sóng dải quạt mảng phẳng búp nhọn có độ lợi cao, ứng dụng hệ thống truyền thông vô tuyến băng tần C Cuối cùng, qui trình tổng quát để thiết kế anten mảng vi dải tiếp điện song song nối tiếp đề xuất Qui trình áp dụng để thiết kế hai anten mảng vi dải tương ứng có độ lợi cao, SLL mức thấp -25 dB Ngoài ra, anten mảng thiết kế có kích thước nhỏ gọn Những đóng góp khoa học luận án Luận án có đóng góp khoa học luận án sau: (1) Đề xuất giải pháp thiết kế anten DSPD có băng thơng rộng, kích thước nhỏ gọn Phần tử anten DSPD điều chỉnh tần số cộng hưởng cải tiến để mở rộng băng thông cách dễ dàng, hiệu quả, đặc biệt thiết kế anten mảng vi dải độ lợi cao, SLL thấp 22 (2) Đề xuất giải pháp thiết kế anten mảng vi dải có SLL thấp sử dụng phần tử anten DSPD mạng tiếp điện song song Chebyshev Trong đóng góp này, qui trình thiết kế anten mảng vi dải tiếp điện song song Chebyshev trọng phân tích trình bày Đồng thời, qui trình áp dụng để thiết kế mẫu anten mảng vi dải 8×1 phần tử có SLL thấp -25 dB tần số trung tâm 4,95 GHz (3) Đề xuất giải pháp thiết kế anten mảng vi dải có SLL thấp độ lợi cao sử dụng phần tử anten DSPD mạng tiếp điện nối tiếp Chebyshev Đóng góp tập trung vào qui trình thiết kế mạng tiếp điện nối tiếp Chebyshev với kĩ thuật sử dụng cấu trúc dây chêm hở mạch kí sinh đường truyền tiếp điện mảng Các tính tốn, mơ thực nghiệm mẫu anten mảng vi dải 10×1 phần tử hoạt động băng tần C triển khai Anten mảng có độ lợi cao 17 dBi, SLL thấp -26 dB tần số trung tâm 5,5 GHz với cấu hình nhỏ gọn, dễ chế tạo Các mơ hình anten đề xuất hồn tồn áp dụng vào thực tiễn cho hệ thống WLAN chuẩn 802.11ac trời hệ thống truyền thông vô tuyến khác hoạt động băng tần C Hƣớng phát triển luận án: Các hướng phát triển luận án bao gồm: - Nghiên cứu kĩ thuật cải thiện băng thông phần tử anten DSPD ứng dụng phát triển mô hình anten vi dải băng thơng rộng siêu rộng, kích thước nhỏ gọn - Nghiên cứu ứng dụng thuật tốn tối ưu (DEA, GA, PSO, BAT,…) để tính tốn tối ưu yếu tố ảnh hưởng đến mơ hình xạ anten mảng vi dải - Nghiên cứu giải pháp kiểm soát ảnh hưởng xạ giả, ảnh hưởng tương hỗ phần tử anten mảng vi dải - Nghiên cứu sử dụng cấu trúc siêu vật liệu, EBG,… thiết kế anten mảng vi dải 23 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN I CÁC CƠNG TRÌNH LIÊN QUAN TRỰC TIẾP ĐẾN LUẬN ÁN ĐÃ ĐĂNG [1] T T Toan, N M Tran, T V B Giang (2016), “A Fan-Beam Array Antenna with Reflector Back for GHz Outdoor Wi-Fi Applications”, The 2016 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC-2016), pp 388-392 [2] T T Toan, N M Hung, N M Tran, T V B Giang (2016), “A Pencil-Beam Planar Dipole Array Antenna for IEEE 802.11ac Outdoor Access Point Routers”, VNU Journal of Science: Comp Science & Com Eng., Vol 32, No 3, pp 26-31 [3] T T Toan, N M Tran, T V B Giang (2016), “A new approach to design and optimize double-sided printed dipole antennas”, The 2016 National Conference on Electronics, Communications, and Information Technology (REV-2016), pp 2/21-2/24 [4] T T Toan, N M Tran, N V Phu, N T Thanh, N V Dung, T V B Giang (2016), “A linear antenna Array with High Gain, Low Side-lobe Level for GHz Outdoor WLAN”, The 2016 National Conference on Electronics, Communications, and Information Technology (REV-2016), pp 1/61-1/64 [5] T T Toan, N M Tran, T V B Giang (2017), “A Feeding Network with Chebyshev Distribution for Designing Low Sidelobe Level Antenna Arrays”, VNU Journal of Science: Comp Science & Com Eng., Vol 33, No pp 16-21 24 [6] T T Toan, N M Tran, T V B Giang (2017), “A 8×1 SproutShaped Antenna Array with Low Sidelobe Level of -25 dB”, VNU Journal of Science: Comp Science & Com Eng., Vol 33, No pp 1-6 [7] T T Toan, N M Tran, T V B Giang (2017), “Designing a Feeding Network of Linear Antenna Arrays Using Chebyshev Distribution Weights for a Sidelobe Level of under -27 dB”, Proceedings of The 2017 Vietnam-Japan Microwave, June 1314th, 2017, Hanoi, Vietnam, pp 45-49 [8] T T Toan, N M Tran, and T V B Giang (2017), "A Low Sidelobe Fan-beam Series Fed Linear Antenna Array for IEEE 802.11ac Outdoor Applications," in The 2017 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC-2017), Quynhon, Vietnam, 2017, pp.161- 165 II CÁC CƠNG TRÌNH LIÊN QUAN TRỰC TIẾP ĐẾN LUẬN ÁN ĐANG CHỜ KẾT QUẢ PHẢN BIỆN [1] T T Toan, N M Tran, and T V B Giang (2017), " A Novel Chebyshev Series Fed Linear Array with High Gain and Low Sidelobe Level for WLAN Outdoor Systems," The Applied Computational Electromagnetics Society (ACES: ISI – Q3), pp 1-8_Submitted 25 ... cách dễ dàng Các anten DSPD thiết kế phải có kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo khả dụng thiết kế anten mảng vi dải có độ lợi cao, kích thước nhỏ gọn - Nghiên cứu đề xuất hai giải pháp thiết kế anten. .. có độ lợi cao băng thơng rộng - Các kết nghiên cứu tảng cho nghiên cứu phân tích thiết kế anten mảng vi dải có SLL thấp, độ lợi cao, cấu hình nhỏ gọn Trong đó, mạng tiếp điện thiết kế dựa phân... Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Các cấu trúc anten DSPD mới, có độ lợi cao, băng thơng rộng, cấu hình nhỏ gọn, dễ chế tạo - Các anten mảng vi dải tuyến tính thiết kế dựa phần tử anten DSPD hệ thống